Robotik-Toolbox (Matlab)

Dieses Repo enthält eine Sammlung von Matlab-Funktionen zum Thema Robotik. Darunter fallen die Gebiete Kinematik, Dynamik und (Koordinaten-)Transformationen. Die Funktionen bieten eine Erweiterung zur Robotics Toolbox von Peter Corke insbesondere hinsichtlich der Kompilierbarkeit der Funktionen und damit der Rechengeschwindigkeit.

Moritz Schappler, schappler@imes.uni-hannover.de, 2018-03
(C) Institut für mechatronische Systeme, Universität Hannover

Benutzung

Für die Benutzung des Repos muss die Pfadinitialisierung durchgeführt werden mit dem Skript robotics_toolbox_path_init.m aus dem Hauptordner.

Abhängigkeiten

Einige Funktionen benötigen das Repo matlab-ext mit externen Funktionen und Toolboxen. Die Pfad-Initialisierung von matlab-ext muss allerdings vor der Pfad-Initialisierung dieses Repos durchgeführt werden, da es gleichnamige Funktionen mit unterschiedlichem Inhalt gibt (z.B. eul2r).

Für die Matlab-Klasse SerRob muss die Sammlung externer Robotermodelle serrob_mdlbib (für serielle Roboter) und ggf. serhybrob-mdl (für hybride Roboter) initialisiert sein.

Kompilierung

Für die Benutzung der ParRob-Klasse müssen vorher einmalig deren mex-Abhängigkeiten kompiliert werden:
mex_script_dependencies('ParRob', true);

Für die Benutzung der Kollisionserkennung muss einmalig die Funktion dafür kompiliert werden:
matlabfcn2mex({'check_collisionset_simplegeom'});

Modultests

Die einzelnen Funktionen des Repos können über die Modultests aus dem Ordner examples_tests gestartet werden. Die Funktionsfähigkeit des Gesamt-Repos kann mit dem Gesamt-Testskript robotics_toolbox_test_repo.m aus dem Hauptordner geprüft werden.

Inhalt (Kurzzusammenfassung)

Hier erfolgt eine kurze Übersicht der im Repo enthaltenen Funktionen. Die Funktionsweise ist in den jeweiligen Funktionsdateien und Modultests erklärt.

Transformationen
- Elementar-Rotationen und -Transformationen: rotx.m, roty.m, rotz.m, trotx.m, troty.m, trotz.m, transl.m, invtr.m. Die Funktionen entsprechen der Corke-Toolbox
- Transformationen zur Euler-XYZ-Winkelkonvention (Drehung um mitgedrehte x-, y-, z-Achse): Hin- und Rücktransformation r2eulxyz.m, eulxyz2r.m, Differentieller Zusammenhang der Zeitableitung eulxyzjac.m, eulxyzjacD.m, eulxyzD2omega.m, eulxyzDD2omegaD.m, Differentieller Zusammenhang zwischen Rotationsmatrix und Euler-Winkeln eulxyz_diff_rotmat, rotmat_diff_eulxyz. Die RPY-Konvention wurde in der Corke-Toolbox geändert und ist nicht mehr konsistent. Daher sind die Funktionen mit eulxyz statt mit rpy benannt.
- Transformationen zu allen Euler-Winkel-Konventionen (XYZ, ZXZ, ZYX, ...): eul2r, r2eul, euljac (entsprechend den Funktionen zu eulxyz).
  - Testskript: Ordner examples_tests/euler_test.m
- Integration von Winkelgeschwindigkeiten: angvel_int_sl.m, angvel_int_rpy.mdl, angvel_int_rotmat.mdl, angvel_int_quat.mdl, angvel_body_int_rotmat.mdl, angvel_body_int_quat.mdl
  - Testmodelle: Im Ordner examples_tests/rotation_integration
- Quaternionen: r2quat.m, r2quat_klumpp.m, quat2r.m
- Simulink-Bibliothek mit Blöcken für Transformationen: lib_transformations.mdl
- Achse-Winkel-Konvention: angvec2r.m
Kinematik
- Geometrische Jacobi-Matrix für allgemeine Roboter: robot_tree_jacobig_m.m
- Adjunkt-Matrix zur Umrechnung von Jacobi-Matrizen auf andere Punkte auf dem selben Segment: adjoint_jacobian.m, adjointD_jacobian.m
- Simulink-Bibliothek: lib_rigid_body_kinematics.mdl
Dynamik
- Dynamikfunktionen für allgemeine (serielle) Roboter mit und ohne bewegte Basis: robot_tree_invdyn_floatb_eulxyz_nnew_vp1_m.m, robot_tree_invdyn_floatb_eulxyz_mdh_nnew_vp1.m
- Massenmatrix nach dem Composite Rigid Body Algorithm von Featherstone: inertia_nCRB_vp1_m.m
- Berechnungen zur Faktorisierung der Massenmatrix: fdyn_solve_inertia_LTL.m, inertia_factorization_LTL.m
- Simulink-Bibliothek zu Starrkörperdynamik: lib_rigid_body_dynamics.mdl
Mechanik-Funktionen für die Robotik
- Speicherung des symmetrischen Trägheitstensors in einem Vektor: inertiamatrix2vector.m, inertiavector2matrix.m
- Umrechnung des Massenträgheitstensors mit dem Steinerschen Verschiebungssatz: inertia_steiner.m
- Umrechnung der Dynamikparameter auf ein anderes Koordinatensystem: inertial_parameters_convert_par1_par2.m
Symbolische Herleitungen zu einigen Funktionen: Ordner maple_codegen
Kontakt-Modelle (Berechnung von Kräften aus der Durchdringung von geometrischen Körpern)
- Hunt-Crossley-Modell (z.B. zur Modellierung von mechanischen Gelenkwinkel-Anschlägen): joint_limit_torques_Hunt_Crossley.m, Hunt_Crossley_contact_model_func.m
- LuGre-Modell für tangentiale Reibung: LuGre_tangential_friction_model_func.m
- Simulink-Bibliothek: lib_contact_model.mdl
- Testmodelle: Im Ordner examples_tests/contact_models
Regler
- Gelenk-Impedanzregler für serielle Roboter (PID-ähnlicher Regler mit im Gelenkraum konstanten Eigenschaften): lib_joint_impctrl.mdl
  - Testmodell mit Vollständigem Beispiel (Simulation eines Roboters mit Regler) in examples_tests/impedance_controller
- Kartesische Regler für Position und Orientierung im Arbeitsraum: lib_cartesian_controllers.mdl
  - Testmodelle: Im Ordner examples_tests/rotation_controllers
Matlab-Klasse SerRob
- Klasse mit Funktionen für serielle und hybride Roboter. Nach der Definition eines Roboters können Kinematik und Dynamik berechnet werden. Die Klasse greift auf symbolisch generierten Code zu. Dadurch sind alle Funktionen kompilierbar und damit schneller ausführbar und für den Einsatz in Echtzeitrechnern (SPS, EtherLab/Simulink) geeignet.
- Beispiele für serielle Roboter im Ordner robotics/examples_tests/SerRob: SerRob_class_example_SCARA.m, SerRob_class_example_Palettierer.m, SerRob_class_example_LBR.m
Matlab-Klasse ParRob
- Klasse mit Funktionen für parallele Roboter. Aktuell sind die inverse und differentielle Kinematik für allgemeine PKM implementiert.
- Beispiele für parallele Roboter im Ordner robotics/examples_tests/ParRob: ParRob_class_example_3RPR.m, ParRob_class_example_3RRR.m, ParRob_class_example_6UPS.m

Erweiterung

Weitere allgemeine Funktionen sollen unter Verwendung des Benennungsschemas und grundsätzlicher Programmierkonventionen ergänzt werden und damit allen Institutsangehörigen zur Verfügung gestellt werden.